Распады φ → μ + μ - и φ → π + π - тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 Введение

2 Ускоритель ВЭПП-2М и детектор

2.1 Электрон-позитронный комплекс ВЭПП-2М

2.2 Сферический Нейтральный Детектор (СНД).

2.3 Внешняя система СНД

2.3.1 Конструкция элементов внешней системы СНД

2.3.2 Калибровка стримерных трубок

2.3.3 Калибровка сцинтилляционных счетчиков.

2.3.4 Контроль за работоспособностью внешней системы

3 Разделение электронов и пионов на СНД

4 Анализ экспериментальных данных

4.1 Проведение эксперимента.

4.2 Выделение событий процессов е+е~ —» и е+е~ —>• 7г+7г~

4.2.1 Отбор событий процесса е+е~ —У в эксперименте РН196 [22]

4.2.2 Отбор событий процесса е+е~ —у тг+тг~ в эксперименте РН198 [30]

4.2.3 Отбор событий процесса е+е~ —» уГ в эксперименте РН198 [31]

4.3 Определение эффективности регистрации и вычисление радиационных поправок.

4.4 Параметризация сечений

4.5 Аппроксимация экспериментальных данных

4.5.1 Процесс е+е~ —)• в эксперименте РН196.

4.5.2 Процесс е+е~ —У п+7г~ в эксперименте РН198.

4.5.3 Процесс е+е~ в эксперименте РН198.

Двухчастичные процессы играют важную роль в е+е~ экспериментах, особенно в области относительно низких энергий 2Е$ =0.36-1.4 ГэВ, в которой работает коллайдер ВЭПП-2М [1]. Например, при энергиях вблизи р резонанса процесс е+е~ —>• тг+тт~ является доминирующим и насыщает сечение е+е~ аннигиляции в адроны. Из-за их простой топологии двухчастичные процессы были первыми процессами, которые изучались в е+е~ столкновениях. Основная трудность состояла в их идентефикации, то есть в возможности детекторов проводить е/тг//л разделение. В Новосибирске, в ИЯФ, первое изучение распада р —7г+7г~ было осуществлено в конце 60-х годов [2]. С тех пор точность измерений значительно улучшилась. Преце-зионное измерение сечения, с систематической ошибкой на уровне 0.6%, было проведено детектором КМД-2 совсем недавно [3].

Несмотря на длительную историю изучения процесса е+е~~ ж+7г~, распады двух других векторных мезонов, ш и ф , находящихся в области энергий ВЭПП-2М, измерены с невысокой точностью [4]. Это связано, в основном, с недостатком статистики из-за малой вероятности этих распадов, нарушающих сохранение изоспина, а также с трудностью подавления фона от основных распадов резонансов, что особенно существенно для ф мезона. В распадах и и ф мезонов в другое двухчастичное состояние ситуация еще хуже. Распад и —вообще не наблюдался, а в измерении распада ф —У встречные е+е~ пучки до последнего времени не могли конкурировать с другими методиками, даже при их невысокой точности.

Данная работа посвящена измерению на е+е~ коллайдере ВЭПП-2М с детектором СНД [5] распадов ф —> ¡1" и ф —> 7т+тг~. Оба распада имеют вероятность ~ Ю-4 и проявляют себя в виде интерференционной волны в энергетической зависимости соответствующих сечений: е+е~ и е+е- —>• 7г+7г~ в области ф резонанса. Несмотря на свою различную природу (лептонный и адронный), с экспериментальной точки зрения они очень близки, являются фоном друг для друга и поэтому изучались совместно.

Распад ф -» является одним из двух лептонных распадов ф мезона. В предположении е — д универсальности вероятности этих распадов должны быть равны с точностью Ю-4, определяемой небольшой разностью фазовых объемов конечных состояний. Однако экспериментальные методы измерения вероятностей распадов ф —у и ф —У е+е~ в корне отличаются. Значение В(ф —> е+е~) вычисляется из величины экспериментального сечения рождения ф мезона в е+е~ столкновениях. По измерениям сечений для основных мод распада ф мезона: ф —у К+К~, КзК^, 7г+7г7г°, вероятность распада в е+е~ пару была получена с относительно высокой точностью: В(ф —у е+е~) = (2.91 ± 0.07) • Ю-4 [6]. Этот метод имеет, однако, принципиальные ограничения по точности. Это связано с тем, что сечение на массе ф мезона, например, процесса е+е~ —> 7г+7г~7г° определяется не только распадом ф мезона, но и вкладом других векторных мезонов, таких как а;, а/. Существующая теоретическая неопределенность в описании этих вкладов приводит к систематической ошибке при определении сечения е+е~ —>•</>—>■ 7г+7г7Г° [7]. Распад ф —» ¡л+в е+е~ экспериментах измеряется по амплитуде интерференционной волны в энергетической зависимости сечения процесса е+е~ —У Непосредственно из эксперимента извлекается величина В{ф —> 1+1~) = л/В{ф —у /1+(1~)В(ф —» е+е~), определяемая гораздо точнее, чем В(ф —> ¡л+С учетом е — ¡л универсальности, измерение В(ф —у 1+1~) является альтернативным методом определения лептонной вероятности распада, который в перспективе может оказаться наиболее точным. Точность в этом случае ограничивается только статистикой эксперимента и ошибкой электродинамического расчета сечения процесса е+е~ уГ.

Лептонная ширина является одним из основных параметров векторного мезона. В рамках векторной доминантности из нее вычисляется константа связи векторного мезона с фотоном, используемая в многочисленных приложениях этой феноменологической модели. Лептонные ширины определяют полные сечения рождения векторных мезонов в е+е~ аннигиляции и важны для вычисления адронных вкладов в поляризацию вакуума [8]. Точное знание лептонных ширин требуется для проверки и сравнения различных квартовых моделей. Например, в нерелятивистских потенциальных кварковых моделях выполняется следующее соотношение [9]:

Г(1/ е+е") = ^^ >2 |Ф(г = 0) (1) связывающее лептонную ширину со значением волновой функции кварк-антикварковой пары при нулевых относительных координатах. Сравнение предсказания модели с экспериментом позволяет проверить правильность выбора потенциала взаимодействия. Предсказание соотношения лептонных ширин для легких и тяжелых кваркониев требует правильного учета релятивистских поправок. Таким образом, вычисление лептонных ширин является прекрасным тестом корректности кварковых моделей [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17].

Впервые вероятность распада ф —> была измерена в начале 1970-х годов в экспериментах по фоторождению ф мезона на ядрах: В(ф ц+ц-) = (2.5 ± 0.4) • Ю-4 [18, 19]. В то же время в Орсэ [20], а затем в Новосибирске на детекторе ОЛЯ [21], этот распад был измерен в е+е~ столкновениях, но с худшей точностью. Достигнуть уровня экспериментов [18, 19] удалось только в 1996 году в экспериментах с детекторами СНД [22] и КМД-2 [23]. Следующий шаг в улучшении точности измерения В(ф —>• был сделан в результате обработки данных, накопленных детектором СНД в 1998 году. Точность величины В(ф —> 1+1~), полученная с использованием этих данных, оказалась сравнимой с точностью

Распад ф —> 7г+7г~ является дважды подавленным: по правилу Цвейга и по в-четности. Наиболее естественным механизмом такого распада является однофотонный переход ф — 7 — р, //, приводящий к величине вероятности распада около 2 • Ю-4. Изучение интерференционной картины в сечении е+е- —> 7г+7Г~ вблизи </>-мезонного резонанса позволяет определить не только вероятность распада ф —У 7г+7г~, но и измерить фазу интерференции между резонансной и нерезонансной амплитудами. Эта дополнительная информация позволяет понять вклады различных механизмов в полную вероятность распада. В частности, однофотонный переход [24] дает вклад только в действительную часть параметра интерференции. Последовательный ф — и — р переход и переходы через промежуточные физические состояния дают вклады как в мнимую, так и в действительную части. Впервые распад ф —у 7г+7г~~ наблюдался на накопителе ВЭПП-2М в эксперименте с детектором ОЛЯ [21]. Второе измерение было выполнено детектором НД [25]. Хотя оба измерения имеют большую ошибку, полученные вероятности распада достаточно сильно различаются. Высокая вероятность распада в эксперименте с детектором ОЛЯ была получена за счет большей мнимой части параметра интерференции. Действительные части в обоих экспериментах согласуются и оказались значительно меньше величины посчитанной для однофотонного перехода, что плохо согласовывалось с теоретическими ожиданиями [26, 27]. В качестве возможного объ-ясненения предполагалось наличие относительно большого вклада прямого нарушающего сохранение изоспина распада ф —> 7г+7г~. Первая оценка этого вклада была сделана недавно в работе [28] в рамках кирального подхода, полученное значение действительно оказалось сравнимым с вкладом однофотонного перехода. Ситуация с экспериментальными данными еще более запуталась после объявления детектором КМД-2, что распад хорошо описывается вкладом однофотонного перехода без привлечения дополнительных механизмов [23]. Большая статистика, накопленная с детектором

- 8

СНД в районе ф резонанса, позволяла надеяться осуществить измерение распада ф —У тг+1г~ с достаточной точностью, чтобы разрешить возникшие разногласия.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. В первой главе описывается детектор СНД и параметры накопителя ВЭПП-2М, которые важны для анализа. В этой главе подробно описана внешняя система детектора. Вторая глава посвящена процедуре е — тг разделения по энерговыделениям в слоях калориметра. Третья глава содержит описание анализа экспериментальных данных. Результаты по распадам ф —У и ф —У ж+1г~ обсуждаются в четвертой главе. В заключении приведены основные результаты, полученные автором.

6 Заключение

В представленной работе получены следующие основные результаты:

1. Произведены подготовка и введение в эксплуатацию внешней системы СНД, состоящей из стримерных трубок и сцинтилляционных счетчиков.

2. Разработаны алгоритмы и написано программное обеспечение для калибровки стримерных трубок и сцинтилляционных счетчиков внешней системы СНД. Разрешение для стримерных трубок составило 3.3 см вдоль трубок. Получено временное разрешение сцинтилляционных счетчиков на уровне 1 не.

3. Написана программа контроля работы внешней системы СНД во время набора статистики.

4. Создана процедура е/к разделения, которая позволила эффективно выделить события е+е~~ —»• 7г+7г~ в области ^¿-мезонного резонанса, а также использовалась при подсчете светимости по событиям е+е~ —у е+е~ в области р-мезонного резонанса.

5. Измерена вероятность В(ф —> = (2.95 ± 0.23) • Ю-4 с точностью, превышающей среднемировую. Существенно улучшена точность прямого измерения вероятности распада ф мезона в лептонную пару В(ф -> 1+Г) = (2.93 ± 0.11) • 10~4.

6. Измерена вероятность В(ф —» п+тг~) = (0.71 ±0.11 ±0.09) • Ю-4 с точностью, превышающей среднемировую, а также фаза интерференции с нерезонансной амплитудой = —(34 ± 4 ± 3)°.

В заключение я выражаю признательность всем своим коллегам, принимавшим участие в создании детектора СНД и в проведении экспериментов, за совместную работу и многочисленные плодотворные обсуждения,

- 82

Ю.М.Шатунову и всем сотрудникам ВЭПП-2М, обеспечившим работу накопителя, коллегам из группы КМД-2 и, особенно, Г.В.Федотовичу за полезные советы. Особую благодарность хочется выразить своему научному руководителю В.П.Дружинину за руководство работой и С.И.Середнякову за поставленные задачи, постоянное внимание и поддержку данной работы.

1. B.JI. Ауслендер, Г.И. Будкер, E.B. Пахтусова и др., Изучение р мезона с электрон-позитронными пучками, Препринт ИЯФ 68-243, Новосибирск, 1968.

2. R.R. Akhmetshin, E.V. Anashkin, М. Arpagaus et al., Measurement of e+e~ —> 7г+7г~ cross section with CMD-2 around p-meson, Preprint Bud-ker INP 99-10, Novosibirsk, 1999.

3. Review of Particles Physics, Europ. Phys. Jour. C3 (1998).

4. B.M. Аульченко, M.H. Ачасов, C.E. Бару и др., Сферический нейтральный детектор (СНД) для электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2М, Препринт ИЯФ 99-16, Новосибирск, 1999.

5. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, S.E. Baru et al, Spherical Neutral Detector for VEPP-2M collider, Nucl. Instr. Meth. A449 (2000) 125.

6. Review of Particles Physics, Europ. Phys. Jour. C15 (2000).

7. M.H. Ачасов, К.И. Белобородов, А.В. Бердюгин и др., Процессы е+е~ К К—, KsKl и 7г+7г~7г° в области резонанса <^>(1020), Препринт ИЯФ 2000-51, Новосибирск, 2000.

8. S. Eidelman, F. Jegerlehner, Hadronic contributions to g — 2 of the leptons and to the effective fine structure constant alpha (M(Z) * *2). Z.Phys. C67 (1995) 585.

9. R. Van Royen, V.F. Weisskopf, Hadron decay processes and the quark model, Nuovo Cim. A50 (1967) 617; Erratum ibid. A51 (1967) 583.

10. C. Quigg, J.L. Rosner, Quantum mechanics with applications to quarko-nium, Phys. Rept. 56 (1979) 167.

11. H. Grosse, A. Martin, Exact results on potential models for quarkonium systems, Phys. Rept. 60 (1980) 341.

12. W. Jaus, Relativistic constituent quark model of electroweak properties of light mesons, Phys.Rev. D44 (1991) 2851.

13. B. Margolis, R.R. Mendel, Bag model calculation of leptonic widths, Phys. Rev. D28 (1983) 468.

14. N. Barik, P.C. Dash, A.R. Panda, Leptonic decay of light vector mesons in an independent quark model, Phys. Rev. D47 (1993) 1001; Erratum -ibid. D53 (1996) 4110.

15. P. Maris, P.C. Tandy, Bethe-Salpeter study of vector meson masses and decay constants, Phys. Rev. C60 (1999) 055214.

16. B.D. Jones, R.M. Woloshyn, Mesonic decay constants in lattice NRQCD, Phys. Rev. D60 (1999) 014502.

17. B.C. Metsch, H.R. Petry, The quark structure of light mesons, Acta Phys. Polon. B27 (1996), 3307.

18. D.R. Earles, W.L. Faissler, M. Gettner et al., Photoproduction of Muon Pairs with Invariant Masses Between 930 and 1770 MeV, Phys. Rev. Lett. 25 (1970) 1312.

19. S. Hayes, R. Imlay, P.M. Joseph et al., Branching Ratio for the Decay of <t> Mesons into Lepton Pairs, Phys. Rev. D, V.4 (1971) 899.

20. J.E. Augustin, A. Courau, B. Dudelzak et al., Evidence for the </>-Meson Contribution to Vacuum Polarization Obtained with the Orsay e+e~ Colliding-Beam Ring, Phys. Rev. Lett. 30 (1973) 462.

21. JI.M. Курдадзе, М.Ю. Лельчук, В.А. Сидоров и др., Изучение распадов ф ¿¿V" и ф-ч тг+тГ, ЯФ, т.35 (1982) 352.

22. M.N. Achasov, S.E. Baru, A.V. Bozhenok et al., Measurement of the decay ф /i+/i-, Phys. Lett. В 456 (1999) 304-309.

23. Е.П. Солодов, Редкие процессы в распадах ф мезона. Диссертация на соиск. уч. степ. докт. физ.-мат. наук, Новосибирск, 1999.

24. Y. Renard, Electromagnetic р-ф mixing, Phys. Lett., 44В (1981) 289.

25. В.Б. Голубев, В.П. Дружинин, В.Н. Иванченко и др., Распад ф —У 7Г+7Г-, ЯФ, т.44 (1986) 633.

26. В.А. Карнаков, Нарушающие G-четность распады ф —> тгп, ф —> rjim ифчпси, ЯФ, т.42 (1985) 1001.

27. Н.Н. Ачасов, А.А. Кожевников, Редкие распады 0-мезона, запрещенные по OZI и G-четности, ЯФ, т.55 (1992) 809.

28. J.A. Oiler, Е. Oset, J.R. Pelaez, The ф 7г+7г~ decay within a chiral unitary approach, hep-ph/9911297.

29. B.M. Аульченко, M.H. Ачасов, К.И. Белобородов и др., Обзор экспериментальных результатов с детектора СНД на е+е~ коллайдере ВЭПП-2М, ЯФ, т.62 (1999) 2142-2153.

30. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et al., Decay ф —> 7г+7г~, Phys. Lett. В 474 (2000) 188-193.

31. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et al, Direct measurement of the </>(1020) leptonic branching ration. Preprint BINP 2000-71, Novosibirsk, 2000.

32. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, K.I. Beloborodov et al, New experimental data for the decays ф —у and ф —У тг+7г~ from SND detector, in

33. Proc. of 8th International Conference on Hadron Spectroscopy (HADRON 99), Beijing, China, 24-28 Aug 1999, Nucl. Phys. A675 (2000) 320c-324c.

34. V.V. Anashin et al, The 75 kG superconducting wiggler for the electron-positron storage ring VEPP-2M, Preprint INP 84-123, Novosibirsk, 1984.

35. L.M. Kurdadze, M.Yu. Lelchuk, E.V. Pakhtusova et al., Results of experiments with OLYA detector at VEPP-2M, Preprint INP 82-97, Novosibirsk, 1982.

36. S.I. Dolinsky, V.P. Druzhinin, M.S. Dubrovin et al, Summary of experiments with the Neutral Detector at the e+e~ storage ring VEPP-2M.

37. B.M. Аульченко, И.Б. Вассерман, П.В. Воробьев и др., Процессы е+е~ —> 7777, е+е~77, е+е~е+е~ на ВЭПП-2М, Препринт ИЯФ 86173, Новосибирск, 1986.

38. D.A. Bukin, V.P. Druzhinin, V.B. Golubev et al., Scintillation counter with WLS fiber readout, Nucl. Instr. and Meth. A 384 (1997) 360.

39. Ю.А. Цирлин, A.P. Дайч, A.M. Радыванюк, Сцинтилляционные блоки детектирования, Москва, Атомиздат, 1978.

40. Б.О. Байбусинов, В.П. Дружинин, Ю.В. Усов, Электроника системы сцинтилляционных счетчиков детектора СНД, Препринт ИЯФ 91-96, Новосибирск, 1991

41. Ю.С. Великжанин, В.П. Дружинин, Ю.В. Усов, Вторичный триггер для СНД, Препринт ИЯФ 93-100, Новосибирск, 1993

42. V.M. Aulchenko, В.О. Baibusinov, S.E. Baru et al., Data acquisition systems and triggers for the detectors in INP, Nucl. Instr. and Meth. A409 (1998) 639.

43. Д.А. Букин, Ю.С. Великжанин, В.Б. Голубев и др., Первичный триггер детектора СНД на ВЭПП-2М, Препринт ИЯФ 98-29, Новосибирск, 1998.

44. В.М. Аульченко, Б.О. Байбусинов, В.М. Титов, Информационные платы ТП, Т и Т2А системы сбора данных КЛЮКВА, Препринт ИЯФ 88-22, Новосибирск, 1988.

45. Г.Д. Алексеев, В.В. Круглов, Д.М. Хазинс, Самогасящийся стример-ный (СГС) разряд в проволочной камере, ФЭЧАЯ, 13(3) (1982) 701.

46. М.А. Шубин, Пробежная система Сферического Нейтрального Детектора, Меморандум СНД.

47. В.М. Аульченко, JI.M. Курдадзе, М.Ю. Лельчук и др., Стримерные трубки: измерение поперечной и продольной координат, Препринт ИЯФ 85-122, Новосибирск, 1985.

48. W. Brannschweig, Е. Königs, W. Sturm, W. Wallraff, A large area Time-of-Flight system with a resolution of 0.5 ns FWHM, Nucl. Inst, and Meth. A134 (1976) 261.

49. C.B. Бурдин, Проверка сцинтилляционных счетчиков наружной системы Сферического Нейтрального Детектора, Дипломная работа, НГУ, 1994.

50. Y. Fujii, Т. Ohshima, J. Shirai et al, Test of 2-mm thick TOF scintillation counters, Nucl. Inst, and Meth. A366 (1995) 282.

51. R. Brun, O. Couet, N. Creme et al, PAW — Physics Analisys Workstation, CERN program library Q121, 1989.

52. T.B. Димова, Экспериментальное изучение процессов е+е~ —у e+e~j, е+е~ —> е+е~77 и конверсионных распадов ф —у r)e+e~, r¡ —> e+e~j.

53. Диссертация на соиск. уч. степ. канд. фнз.-мат. наук, Новосибирск, 2000.

54. V.P. Druzhinin, V.B. Golubev, V.N. Ivanchenko et al, in Proc. of Third Intern. Conf. on Instrumentation for Colliding Beam Physics, Novosibirsk, 1984, p. 77.

55. А.Д. Букин, H.A. Грозина, M.C. Дубровин и др., UNIMOD-2 универсальная программа моделирования экспериментов на встречных е+е~ пучках. Препринт ИЯФ 90-93, Новосибирск, 1990.

56. А.Д. Букин, В.Н. Иванченко, Гистограммная программа GIST. Препринт ИЯФ 93-81, Новосибирск, 1993.

57. А.В. Arbuzov, G.V. Fedotovich, Е.А. Kuraev et al, Large angle QED processes at e+e~ colliders at energies below 3 GeV, hep-ph/9702262, JHEP 9710 (1997) 001.

58. A.B. Arbuzov, V.A. Astakhov, A.V. Fedorov et al, Radiative corrections for pion and kaon production at e-f e- colliders of energies below 2-GeV, hep-ph/9703456, JHEP 9710 (1997) 006.

59. А. Варганов, Программы расчета сечений и генераторы для моделирования процессов е+е~ —> 7t+7t-(y), е+е~ —> h+/j,~(j) в области энергий 360-1400 МэВ, Меморандум СНД, 1997.

60. L.M. Barkov, A.G. Chilingarov, S.I. Eidelman et al, Electromagnetic pion form-factor in the timelike region, Nucl. Phys. В 256 (1985) 365.

61. A.B. Боженок, Д.А. Букин, В.Н. Иванченко и др., Пакет программ аппроксимации сечений в эксперименте СНД, Препринт ИЯФ 99-103, Новосибирск, 1999.

62. R.R. Akhmetshin, E.V. Anashkin, М. Arpagaus et al, First observation of the ф 7г+7г~7 decay, Phys.Lett.B 462 (1999) 371.

63. А.И. Ахиезер, М.П. Рекало, Электродинамика адронов, Киев, "Науко-ва думка", 1977.

64. M.N. Achasov, A.V. Berdyugin, A.V. Bozhenok et al, Experimental study of the processes e+e~ -уф-у чуу, 7г°7 at VEPP-2M, Europ. Phys. Jour. C12 1 (2000) 25.

65. H. Alvensleben, U. Becker, P. Biggs et al, Photoproduction and Forbidden Decays of ф Mesons, Phys. Rev. Lett., 28 (1972) 66.

66. A. Bramon, A. Varias, Unitarity and gluonic corrections to the pion form-factor around the ф peak, Phys; Rev., D20 (1979) 2262.

67. H.M. Буднев, С.И. Политыко, Распад ф 2тг, ЯФ, т.32 (1980) 826.

68. Н. Genz, S. Tatur, Tests of isospin symmetry breaking at <^(1020) meson factories, Phys.Rev., D50 (1994) 3263.